L_14_1
реклама
Газовые лазеры Типы газовых лазеров На электронных переходах CO, CO2 - лазеры На колебательновращательных переходах N2, H2 – лазеры эксимерные лазеры На инертных газах He-Ne, Ar - лазеры На парах металлов He-Cd, медный лазеры Молекулярные лазеры Атомарные лазеры Химические лазеры HF, DF, HCl, HBr, DF- CO2 – лазеры Йодный фотодиссоциационный лазер Газовые лазеры Механизмы накачки Электрическая накачка Инверсная населенность создается при столкновениях с электронами Оптическая накачка В качестве источников накачки используются, как правило, лазеры Электронно-лучевая накачка Инверсная населенность создается при ионизации газа электронами Газодинамическая накачка Преобразование тепловой энергии в энергию излучения Химическая накачка Инверсная населенность создается в результате прохождения экзотермических химических реакций Фотодиссоциационная накачка Инверсная населенность создается в результате диссоциации молекулы Газовые лазеры Механизмы создания инверсной населенности в электрическом разряде 1. Непосредственное столкновение атома или молекулы с электроном: A e A * e, A e (A ) * e, 2. Резонансная передача энергии: A * B A B* E , A * B A (B+ ) * E Для высокой эффективности этого процесса необходимо, чтобы разность энергий между соответствующими состояниями частиц A и B была меньше или порядка kT 3. Столкновения нейтральных частиц газа с положительными ионами. Эффективность таких процессов невысока из-за большой инертности ионов (малой их скорости) Газовые лазеры: He-Ne лазер 21S0 23S1 3s2 l1 2s2 3p4 l2 l3 He+e→He*+e+E 2p4 He*+Ne→He+Ne*+E l1=3,39 мкм 1s l2=0,63 мкм l3=1,15 мкм 1S 0 He Ne Состояния 21S0 и 23S1 – метастабильные, их времена жизни порядка 1 мс Времена жизни состояний 3s2 и 2s2 больше времен жизни состояний 3p4 и 3p2 Состояние 1s – матастабильное и заселяется при столкновениях с электронами Опустошение нижних лазерных уровней происходит при столкновениях со стенками Газовые лазеры: He-Ne лазер Дефект энергии между уровнями 21S0 и 3s2, 23S0 и 2s2 составляет 300 см-1 Разрешенными переходами с уровней 3s2 и 2s2 Ne являются переходы в состояния 3p4 и 2p4 Времена жизни состояний 3s2 и 2s2 приблизительно на порядок больше времен жизни состояний 3p4 и 2p4 Основным каналом релаксации нижних лазерных уровней 3p4 и 2p4 является безызлучательная релаксация при столкновениях Ne, главным образом, со стенками газоразрядной трубки Для достижения наибольшей эффективности резонансной передачи энергии от гелия к неону необходимо, чтобы концентрация гелия в несколько раз (в 5-10) превышала концентрацию неона На длине волны 0.63 мкм усиление составляет 5-6% на метр, на длине волны 1.15 мкм – 20% на метр, а на длине волны 3.39 мкм – 20 дБ/м. Поэтому генерация на длине волны 3.39 мкм подавляет генерацию на длинах волн 0.63 мкм и 1.15 мкм Газовые лазеры: He-Ne лазер Для обеспечения возможности лазера излучать на длинах волн 0.63 мкм и 1.15 мкм зеркала резонатора лазера изготавливаются в виде многослойных диэлектрических интерференционных зеркал, имеющих максимум отражения на одной длине волны, превышающий отражение на конкурирующих длинах волн на несколько порядков Характерным параметром является оптимальная величина произведения диаметра газоразрядной трубки d (капилляра) на полное давление смеси гелия и неона p Характерными диаметрами капилляров являются величины порядка 2 мм. Для длин волн 0.63 мкм и 3.39 мкм оптимальные значения pd составляют 3.5-4.0 Торр.мм, для длины волны 1.15 мкм – в области 10-12 Торр.мм. Оптимальная плотность тока разряда Ne(1s) e Ne(2 p) e He(2 1S ) e He(11S ) e паразитные процессы, роль которых возрастает с увеличением плотности тока Газовые лазеры: He-Ne лазер Выходная мощность излучения гелий-неонового лазера пропорциональна длине газоразрядной трубки. При ее длине 1 м на длине волны 0.63 мкм характерная мощность составляет десятки мВт, на длине волны 3.39 мкм – сотни милливатт, а на длине волны 1.15 мкм мощность несколько больше, чем на длине волны 0.63 мкм. Модовый характер излучения определяется длиной трубки, диаметром капилляра и характером уширения лазерных линий. Диаметр капилляра, как правило, хорошо селектирует поперечные моды, поэтому гелийнеоновые лазеры преимущественно работают на продольных модах На длине волны 0.63 мкм доплеровская ширина линии составляет порядка 1 ГГц, а при рабочих давлениях в несколько Торр столкновительная ширина не превышает 100 МГц. На длине волны излучения 3.39 мкм вклад столкновительного уширения становится сравним с вкладом доплеровского Для получения поляризованного излучения окошки капилляра газоразрядной трубки выполняют под углом Брюстера Газовые лазеры: лазер на парах меди 2P 3/2 2P 1/2 l2= 578 нм 2D 3/2 l1=510 нм 2D 5/2 2S 1/2 Возбуждение верхних лазерных уровней 2P происходит в электрическом разряде. Лазерная генерация возникает на переходах 2P→2D. Переход 2S→2P является разрешенным, а переход 2S→2D запрещен. Сечение перехода 2S→2P больше по сравнению с сечением перехода 2S→2D, и между уровнями 2P и 2D возникает инверсная населенность Для возникновения инверсии необходимо, чтобы скорость излучательной релаксации для перехода 2P→2S не превышала соответствующую скорость для перехода 2P→2D. Это можно обеспечить созданием высокой плотности атомов меди, поскольку при этом оказывается возможным захват излучения на переходе 2P→2S. Газовые лазеры: лазер на парах меди Времена жизни состояний 2P составляют сотни наносекунд, переход 2D→2S является запрещенным. Следовательно, медный лазер является лазером на самоограниченных переходах – он может работать только в импульсном режиме с длительностью импульсов не больше, чем время жизни верхних лазерных уровней Релаксация состояний 2D осуществляется, преимущественно, при столкновениях со стенками и за счет процессов: Cu( 2 D) e Cu( 2 S) e Медный лазер излучает на двух длинах волн: 510 нм (переход 2P3/2→2D5/2) и 578 нм (переход 2P1/2→2D3/2). Характерная длительность импульсов порядка 10 нм с мощностью излучения в пике импульса до сотни кВт. Частоты следования импульсов могут достигать десятков и сотен кГц. Длины разрядных трубок медных лазеров составляют несколько десятков сантиметров с диаметрами порядка 20 см. Давление паров меди примерно 0.5 Торр, что при температуре активной среды 1500 0С соответствует плотностям 1015 см-3. Газовые лазеры: лазер на парах золота 2P 3/2 2P 1/2 l2= 628 нм 2D 3/2 l1=312 нм 2D 5/2 2S 1/2 Генерация происходит, преимущественно, на длине волны 628 нм, поскольку при рабочей температуре состояние 2D5/2 оказывается существенно заселенным
